第26卷 第3期
2006年6月
航 空 材 料 学 报
J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LS
V o l 126,N o 13June 2006
TC18电子束焊接头焊后热处理对组织与性能的影响
郭绍庆，谷卫华，余 槐，袁 鸿，张旺峰，李晓红
(北京航空材料研究院，北京100095)
摘要：为提高TC18合金电子束焊接头的力学性能，测量焊态及4种焊后热处理的接头室温拉伸和冲击性能，并对不同热处理状态的显微组织和冲击断口进行光学和扫描电镜观察。研究表明,TC18电子束焊缝经不同热处理能够获得不同形态的晶内A 。随晶内A 片长径比的减小，塑性和冲击韧度提高，强度大致呈降低的趋势。TC18双重退火焊缝具有以粒状A 为主，辅以适量片状A 的B 晶内结构，因而具有较好的强度、塑性和冲击韧度。关键词：钛合金；电子束焊接；焊后热处理;TC18 中图分类号:TG457119 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2006)03-0116-06
收稿日期:2006-02-06；修订日期:2006-03-18
作者简介：郭绍庆(1969-)，男，博士，高级工程师，主要从事高强钢、钛合金和金属基复合材料连接技术及焊接过程数值模拟研究,(E -m a il)shaoqing .guo @bia m.ac 。
许多A +B 型和B 型钛合金具有较高的强度、
塑性和韧度，但是经过焊接热循环和一系列冶金变化，焊缝及热影响区的性能损失严重，主要表现为塑性和韧度的损失。如A +B 合金T-i 62222焊缝拉伸
性能与母材相当，但是缺口敏感性非常高，韧性非常差，所有试样在预制裂纹时断裂
[1]
。L 1E 1S tar k 曾经
系统地研究了多层气保护钨极氩弧焊焊缝的性能，发现A +B 合金接头抗拉强度为100~165ks,i 室温韧度为45~5ftl b ;B 和近B 合金接头抗拉强度在110ksi 以上，而韧度数值很低，低于10ftl b [2]
。
焊后热处理对接头力学性能具有重要影响
[3,4]
。为充分
发挥钛合金的性能潜力，有必要开展焊后热处理提高接头性能的研究。亚稳定型A +B 钛合金TC18是退火状态B 相含量最高的A +B 型合金，也是退火强度最高的合金，特别适用于制造飞机机身、起落
架结构中的大型锻件，可用各种方法焊接[5]标准车当量数
。本工作针对其电子束焊接接头，研究接头塑性和韧度的损失程度和冶金原因，考察不同焊后热处理对接头性能的影响，为确立该类合金焊后塑性韧性的恢复技术提供依据。
屏蔽玻璃1 实验方法
111 实验用料
TC18供货态为模锻加双重退火处理:835e /1h ,FC →750e /2h,AC +615e /4h ,AC 。其名义成分为
T-i 5A -l 5M o -5V-1Cr -1Fe ,B 相变点为870e 。从模锻件上线切割切取815mm 厚焊接试板，并做焊
前酸洗。112 焊接及焊后热处理
真空电子束焊机型号为ELA-30，加速电压为60kV 。焊接速率v =14mm /s ，焊接电流I =95~90mA，工作距离D =150mm，聚焦电流I F =855mA 。从焊接试板上切取预留热处理氧化及机加工余量的试样，在空气炉中进行试样的焊后热处理，热处理制度包括:HT0-焊态;HT1-简单退火;H T2-双重退火;HT3-固溶时效;HT4-三重退火。113 力学性能试样的加工与测试
拉伸采用2591-N 001试样，冲击采用V 型缺口2591-N005试样，平行试样数量为3。焊缝和热影响区(HAZ)冲击试样的缺口位置通过腐蚀确定。室温拉伸在I NSTRON4507试验机上进行，室温冲击在J B6试验机上进行。
114 显微组织及断口分析
金相试样制备过程包括砂纸打磨和抛光，抛光采用C r 2O 3溶液。腐蚀液为HNO 3B H F B 甘油=1B 1B 1。光学显微镜或扫描电镜下观察微观组织并照相，扫描电镜下观察冲击断口形貌并照相。
2 试验结果与分析
211 TC18接头拉伸性能
接头和母材的室温拉伸性能由表1和图1给
出。焊态接头断裂于焊缝和近缝区，焊缝及近缝区的强度和塑性与母材相比损失严重。接头系数仅为7816%，延伸率只有母材的41%。
简单退火使母材强度降低，但塑性显著提高。接头抗拉强度比焊态提高112M Pa ，接头系数达到
第3期TC18电子束焊接头焊后热处理对组织与性能的影响9510%，延伸率也由512%提高至1415%。
双重退火使母材的抗拉强度降低67MPa ，而塑性显著提高。接头的抗拉强度比焊态提高202M Pa ，延伸率由5117%提高至814%。接头断裂于焊缝，但接头接近等强度。
固溶时效使母材的抗拉强度提高99MPa ，而塑性也略有提高。接头抗拉强度比焊态提高322MPa ，接头系数达到9716%，而延伸率由5117%降低至416%。优日
三重退火使母材抗拉强度降低9413MPa ，而塑性显著提高。接头的抗拉强度比焊态提高83MPa ，接头系数达到9219%，而延伸率由5117%提高至814%。212 TC18接头冲击韧度
不同焊后热处理状态下焊缝、HAZ 和母材的冲
击韧度测试结果由表2和图2给出。焊态下焊缝和HAZ 的冲击韧度损失严重，分别只有母材的27%和4618%。
简单退火使焊缝、HAZ 和母材的冲击韧度明显改善，焊缝和HAZ 冲击韧度分别是焊态的4倍和211倍。母材冲击韧度比供货态提高79%。双重退火使焊缝、HAZ 和母材的冲击韧度进一步提高至焊态的515,315和213倍。
固溶时效使焊缝和HAZ 的冲击韧度分别提高至焊态的219和1134倍。母材冲击韧度也有所提高。
三重退火的焊缝、HAZ 和母材冲击韧度最大，它们分别是焊态冲击韧度的717,414和219倍。
表1 TC18钛合金焊接接头室温拉伸性能
T ab le 1 T ensil e properties of T C18w e l ded j o int at room te m pera t ure
Po st w eld heat treat m ent
Spec i m en R 012/M P a R b /M P a D 5/%W /%F rac t ure position
HT 0(as w elded)
Base m eta l 1118118612163117W e l ded joint 8889325121312W eld m eta,l f usion
li ne or HA Z HT 1(si m ple anneali ng)
Base m eta l 1038109920125813W e l ded joint 1003104414154213Base m eta ,l 5~7mm apart from we l d
center HT 2(doub l e annea li ng)
Base m eta l 1067111921135911W e l ded joint 109111348143217W e l d m eta l
HT 3
(so l uti on and ag ing)
Base m eta l 1226128513123619W e l ded joint 121412554161519W e l d m eta l
HT 4(tr i plex annea li ng)
Base m eta l 1007109221185915W e l ded joint
983
1015
814
4118
W e l d m eta
l
图1 焊后热处理对TC18电子束焊接头拉伸性能的影响
(a)母材;(b)接头
F ig 11 E ffect o f post we l d hea t treat m ent on tensile properti es of TC18e lectron bea m we l ded jo i nts
(a)base m eta;l (b)we l ded jo i nt
117
航空材料学报第26卷
表2TC18焊接接头冲击性能
T able2I mpact toughness o f TC18w elded jo i nts
P ost w eld heat treat m ent
I mpact t oughness a
KV
/J#c m-2
W e l d m etal HAZ Base m eta l
HT0(as w elded)31355181214 HT1(si m ple anneali ng)131412112212 HT2(doub l e anneali ng)1815320132813 HT3(so l uti on and ag i ng)91597181412
HT4(tr i plex annea ling)25182514351
采油助剂6
图2焊后热处理对TC18电子束焊接头冲击韧度的影响
F ig12Effect of post w e l d heat trea t m ent on i m pact tough-
ness of TC18e lectron beam we l ded jo i nts
213TC18接头组织及断口分析
图3给出了TC18电子束焊接头焊态显微组织。焊缝为粗大的柱状晶，近缝区晶粒也严重粗化。母材B晶粒内细小A片呈网篮状编织，晶界A较粗且有不同程度的断续。焊缝组织为亚稳态B，由于电子束焊热循环非常快，焊态下看不到晶内析出。HAZ在焊接高温下发生了部分固溶，原先的A片轮廓变粗。粗大的亚稳态B晶粒导致焊缝与母材相比，冲击韧度、强度和塑性都有严重下降。
图4为TC18接头经简单退火的组织。焊缝晶粒内析出非常细小的A片，同一集束的A片取向基本平行。热影响区也有细小A片析出。细小A片析出兼具强化和降低B过饱和的作用，使焊缝和HAZ拉伸和冲击性能显著提高。母材晶内编织状A 片变粗，导致强度降低，塑性和冲击韧度提高。
图5为TC18接头经双重退火的组织。焊缝经第一步热处理，显现出凝固形成的胞状晶，晶界出现A，晶内析出短条状A，经第二步热处理，晶内析出大量弥散的细小A颗粒。这种在B晶粒内A颗粒弥散分布外加短条状A的组织特征，使焊缝的强度、塑性和冲击韧度显著比焊态均有较大提高。HAZ 晶内也
有大量条状和粒状A析出，因此HAZ冲击韧度提高显著。而母材经双重退火处理，原有的片状A粗化，冲击韧度和塑性有显著提高，强度则略有降低。
图6为TC18接头经固溶时效的组织。母材与供货态相比,B晶内编织状的片状A略有加粗，同时又有新的细小A片生成，冲击韧度和塑性略有提高，而强度提高显著。焊缝中出现细长的针状A，同时有大量细小的粒状A析出。HAZ的片状A仍呈部分固溶状态，轮廓模糊，说明固溶不能使HAZ重新析出片状A。因此焊缝和HAZ的冲击韧度虽然比焊态有所提高，但未恢复到母材的水平。
图7为TC18接头经三重热处理的组织。焊缝经第一步热处理，析出短条状初生A。第二步热处理具有促进次生A形核的作用，经第三步热处理后，片状A变粗变圆。母材经三重热处理原有的粒状A和片状A粗化。焊缝、HAZ和母材具有最高的冲击韧度，焊缝和母材塑性较好，而强度比双重热处理低。
图8为TC18电子束焊缝及母材冲击断口的SE M照片。母材供货态断口为韧窝形貌，但大部分韧窝细小，表明冲击韧度不高。焊态焊缝的断口亦为穿晶断裂，但韧窝极细小，很像脆性解理断口，这与沿焊缝柱状晶开裂有关，对应极低的冲击韧度。经焊后热处理断口韧窝增加，冲击韧度都有提高。其中经双重退火和三重退火的断口韧窝大而深，说明冲击韧度达到充分恢复。双重退火断口韧窝比三重退火细浅，冲击韧度低一些。经简单退火和固溶时效的焊缝断口表现出部分沿晶断裂的特征，其中固溶时效更严重，这表明这两种热处理制度提高焊缝冲击韧度的效果差一些。焊接造成的粗大柱状晶,(图3a)也是造成焊缝及HAZ冲击韧度和塑性损失的重要原因之一。
118
第3期TC18
电子束焊接头焊后热处理对组织与性能的影响图3 TC18电子束焊接头焊态组织
(a)焊缝;(b)母材;(c)HAZ
F i g 13 M icrostruc t ure of w e l ded j o i n t i n as -w elded conditi on
(a)we l d m eta;l (b)base m eta ;l (c)HA
Z
图4 TC18接头经简单退火的组织
(a)母材;(b)焊缝;(c)HAZ
F i g 14 M icrostruct ure of w e l ded j o i n t after si m p l e annea li ng粉尘收集
(a)base m eta ;l (b)w e l d m eta ;l (c)HA Z
图5 TC18接头经双重退火的组织
(a)母材;(b)双重退火第一步的焊缝;(c)焊缝
F i g 15 M icrostruc t ure of w elded j o i nt afte r double annea li ng
(a)base m eta ;l (b)w e l d m eta l after first annea li ng ;(c)w eld m eta
隐藏滑轨l
图6 TC18接头经固溶时效的组织
(a)母材;(b)焊缝;(c)HA Z
F ig 16 M i crostructure o f we l ded jo i nt a fter so l ution and ag i ng
(a)base m eta;l (b)we l d m eta;l (c)HAZ
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航 空 材 料 学 报第26
卷
图7 TC18接头经三重退火的组织
(a)第一步处理的焊缝;(b)焊缝;(c)母材
F i g 17 M icrostruc t ure of tr i plex annea led w elded jo i nt
(a)we l d me tal w ith only the first annea li ng ;(b)w e l d m e ta;l (c)base me
tal
图8 TC18焊缝及母材冲击断口SE M
(a)供货态母材;(b)焊态焊缝;(c)简单退火焊缝;(d)双重退火焊缝;(e)固溶时效焊缝;(f)三重退火焊缝
F i g 18 Fracture m orpho logy o f i m pact toughness spec i m en for we l d me tal and base m eta l
(a)base m eta ;l (b)as we l ded ;(c)si m ple annea led ;(d)double annealed ;(e)so l ution and aged ;(f)triplex annea led we l d me tal
214 分析与讨论
TC18母材的塑性和冲击韧度有较好的关联性，塑性好，则冲击韧度高。按母材延伸率从高到低对热处理制度排序：三重退火>双重退火>简单退火>固溶时效>焊态。按冲击韧度得到相同的排序。
对比各种热处理状态母材的显微组织(图3~7)，可以发现,B 晶粒内的A 片形态与塑性(延伸率D 5)和冲击韧度a KV 有较明确的对应关系。供货态母材晶内A 片细,a KV 和D 5较低，而强度较高；经简单退火后,A 片粗化,a KV 和D 5明显提高，而强度降低；经双重退火，晶内A 片和晶界粗化加重，同时又有新的细A 片产生,a KV 和D 5进一步提高，而强度则略有提高；经固溶时效，晶内A 片以细A 片为主,a KV 和D 5与供货态基本相当，但强度显著提高；而经三
重退火，晶内A 呈短棒状,a KV 和D 5达到最高值，而强度有所下降。
TC18电子束焊缝在焊态下为过饱和的亚稳B ,a KV ,D 5及强度都很低；经简单退火，亚稳B 分解，析出A 片，因加热温度较低(750e ),A 片形核多，在炉冷过程中长成平行细片状，其冲击韧度比焊态有显著改善；经双重退火第一步，形成晶界A 和晶内片状A ，由于冷速较快，片状A 形成量较少，经第二步退火,B 晶内析出大量的粒状A ，这种组织具有较好的强度、塑性和韧度；三重退火使焊缝的B 晶内A 粗化，长径比减小，因而具有最好的塑性、韧度，而强度比双重退火降低。固溶时效在B 晶内造成大量的细长A 针，这种组织对应着较低的冲击韧度、最低的塑性以及最高的强度。可见，对于焊缝，随晶内
120
